(57)【要約】【課題】イオン伝導性に優れたコンポジット型イオン伝導体及びこれを用いた燃料電池を提供すること。【解決手段】固体酸と、プロトン伝導性を示す電解質液を含有するコンポジット型イオン伝導体である。固体酸がブレンステッド−ローリー酸基を有し、プロトン伝導性電解質液がアニオン成分とカチオン成分を含む。カチオン成分が固体酸とアニオン成分との当量の和に対して過剰当量含まれる。  このようなコンポジット型イオン伝導体を電解質として用いた燃料電池である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸と、プロトン伝導性を示す電解質液を含有して成るコンポジット型イオン伝導体であって、
上記固体酸がブレンステッド−ローリー酸基を有し、
上記プロトン伝導性電解質液が、アニオン成分とカチオン成分を含み、
上記カチオン成分が、上記固体酸と上記アニオン成分との当量の和に対して過剰当量含まれる、ことを特徴とするコンポジット型イオン伝導体。
【請求項２】
上記カチオン成分が、上記固体酸と上記アニオン成分の混合物に対し、次式
カチオン成分（モル）／（カチオン成分（モル）＋アニオン成分（モル）＋固体酸（モル））＝０．５〜０．９
で表されるモル比で含まれることを特徴とする請求項１に記載のコンポジット型イオン伝導体。
【請求項３】
上記固体酸が多孔質体であり、この固体酸多孔質体に上記電解質液が含浸されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンポジット型イオン伝導体。
【請求項４】
上記固体酸が粒状体であり、この固体酸粒状体が上記電解質液と混合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンポジット型イオン伝導体。
【請求項５】
上記固体酸が、酸性ポリマー及び／又は無機固体酸であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載のコンポジット型イオン伝導体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つの項に記載のコンポジット型イオン伝導体を電解質として用いて成ることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンポジット型イオン伝導体及びこれを用いた燃料電池に係り、更に詳細には、プロトン伝導性電解質液と固体酸を含有して成り、プロトン伝導性などのイオン伝導性に優れたコンポジット型のイオン伝導体、及び耐久性に優れる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電池や電解装置などの電気化学デバイスに用いられ、また燃料電池の電解質として用いられるプロトン伝導体としては、第４級アンモニウムとアニオンから成るイオン液体と、ブレンステッド−ローリー酸であるプロトン供与体から成るものが知られており、この場合、イオン液体としては、原則として第４級アンモニウムとアニオンとを等当量で混合したものが用いられる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
かかるプロトン伝導体においては、イオン液体中の第４級アンモニウムに対して等当量以下、特に０．０１〜５当量のプロトン供与体が配合されるが、更にブレンステッド−ローリー酸基を有する高分子を配合して複合化し、膜形成できることが記載されている。
【特許文献１】特開２００３−１２３７９１号公報（段落０００９、段落００１１及び段落００１２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、かかる従来のプロトン伝導体においては、プロトン供与体を配合することにより、系全体のプロトン供与体とプロトンとのモル等量点が酸過剰側になりプロトン伝導性が低下してしまうという問題があった。
また、ブレンステッド−ローリー酸基を有する高分子を更に配合して複合化すると、当該酸基によって、系全体の酸塩基バランスが更に酸過剰側になってプロトン伝導性が更に低下してしまうおそれがあった。
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、イオン伝導性に優れたコンポジット型イオン伝導体及びこれを用いた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、配合する固体酸も勘案して系全体が塩基過剰となるように調整することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明のコンポジット型イオン伝導体は、固体酸と、プロトン伝導性を示す電解質液を含有して成るコンポジット型イオン伝導体である。
上記固体酸がブレンステッド−ローリー酸基を有し、上記プロトン伝導性電解質液がアニオン成分とカチオン成分を含むが、上記カチオン成分が、上記固体酸と上記アニオン成分との当量の和に対して過剰当量含まれる、ことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のコンポジット型イオン伝導体の好適形態は、上記カチオン成分が、上記固体酸と上記アニオン成分の混合物に対し、次式
カチオン成分（モル）／（カチオン成分（モル）＋アニオン成分（モル）＋固体酸（モル））＝０．５〜０．９
で表されるモル比で含まれることを特徴とする。
【０００９】
一方、本発明の燃料電池は、上述の如きコンポジット型イオン伝導体を電解質として用いて成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、配合する固体酸も勘案して系全体が塩基過剰となるように調整することなどとしたため、イオン伝導性に優れたコンポジット型イオン伝導体及びこれを用いた燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明のイオン伝導体につき詳細に説明する。なお、本明細書において、「当量」とは、酸及び塩基の当量を意味するものとする。
【００１２】
上述の如く、本発明のコンポジット型イオン伝導体は、ブレンステッド−ローリー酸基を有する固体酸と、アニオン成分とカチオン成分を含みプロトン伝導性を示す電解質液を含有して成るものである。
【００１３】
ここで、アニオン成分とカチオン成分を含み、プロトン伝導性を示す電解質液としては、カチオン成分及びアニオン成分の少なくとも一方が分子性のものを好適に使用することができる。
なお、このような電解質液に含まれるカチオン成分及びアニオン成分としては、単独の原子から形成される単原子性（原子性）のものと、複数個の原子から形成される多原子性（例えば、分子性）のものに大別できる。
【００１４】
原子性のカチオン成分とアニオン成分を含有する電解質としては、代表的に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などが挙げられ、これらは高温で溶融塩状体となってイオン伝導性を発揮する。
なお、原子性アニオン成分としては、代表的にハロゲン化物アニオン、例えばＦ−、Ｃｌ−、Ｂｒ−及びＩ−を挙げることができる。
【００１５】
一方、分子性のカチオン成分とアニオン成分を含む電解質液としては、以下に示すカチオン成分及びアニオン成分の具体例を含むものが挙げられ、本発明では、これらカチオン成分とアニオン成分を任意に組み合わせて使用することができる。
【００１６】
上記カチオン成分の一種である分子性カチオンとしては、例えばイミダゾリウム誘導体カチオン、更に具体的には化学式１で表される一置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｍｏｎｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００１７】
【化１】
2007073475.tif 000002
【００１８】
（式中のＲ１１は、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。そして、炭化水素基の具体例としては、メチル基やブチル基などを挙げることができる。
【００１９】
また、化学式２で表される二置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｄｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００２０】
【化２】
2007073475.tif 000003
【００２１】
（式中のＲ２１及びＲ２２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００２２】
そして、Ｒ２１及びＲ２２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基などを挙げることができる。
【００２３】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ２１がメチル基であり、Ｒ２２がメチル基、エチル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、ベンジル基、γ−フェニルプロピル基であるものや、Ｒ２１がエチル基であり、Ｒ２２がブチル基であるものなどを挙げることができる。
【００２４】
更に、化学式３で表される三置換イミダゾリウム誘導体カチオン（Ｔｒｉｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ  Ｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００２５】
【化３】
2007073475.tif 000004
【００２６】
（式中のＲ３１〜Ｒ３３は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００２７】
そして、Ｒ３１〜Ｒ３３としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、ヘキサデシル基などを挙げることができる。
【００２８】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ３１がエチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がプロピル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がブチル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるもの、Ｒ３１がヘキサデシル基であり、Ｒ３２及びＲ３３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００２９】
また、化学式４で表されるピリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００３０】
【化４】
2007073475.tif 000005
【００３１】
（式中のＲ４１〜Ｒ４４は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００３２】
そして、Ｒ４１〜Ｒ４４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００３３】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ４１がエチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるもの、Ｒ４１がブチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４３がメチル基でありＲ４４が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４４がメチル基でありＲ４３が水素であるもの、Ｒ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がエチル基であるもの、Ｒ４１がヘキシル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２及びＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるもの、Ｒ４１がオクチル基であり、Ｒ４２〜Ｒ４４が水素であるものやＲ４２及びＲ４３が水素でありＲ４４がメチル基であるもの、Ｒ４２およびＲ４４が水素でありＲ４３がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００３４】
更に、化学式５で表されるピロリジニウム誘導体カチオン（Ｐｙｒｒｏｌｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００３５】
【化５】
2007073475.tif 000006
【００３６】
（式中のＲ５１及びＲ５２は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００３７】
そして、Ｒ５１及びＲ５２としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、プロピル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００３８】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ５１がメチル基であり、Ｒ５２がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、ヘキシル基であるもの、オクチル基であるもの、Ｒ５１がエチル基であり、Ｒ５２がブチル基であるもの、Ｒ５１及びＲ５２がプロピル基、ブチル基、ヘキシル基であるものなどを挙げることができる。
【００３９】
また、化学式６で表されるアンモニウム誘導体カチオン（Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００４０】
【化６】
2007073475.tif 000007
【００４１】
（式中のＲ６１〜Ｒ６４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００４２】
そして、Ｒ６１〜Ｒ６４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００４３】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ６１〜Ｒ６４がメチル基であるものやエチル基であるもの、ブチル基であるもの、Ｒ６１がメチル基であり、Ｒ６２〜Ｒ６４がオクチル基であるものなどを挙げることができる。
【００４４】
更に、化学式７で表されるホスフォニウム誘導体カチオン（Ｐｈｏｓｐｈｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００４５】
【化７】
2007073475.tif 000008
【００４６】
（式中のＲ７１〜Ｒ７４は同一でも異なっていてもよく、１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００４７】
そして、Ｒ７１〜Ｒ７４としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他にエチル基、イソブチル基、ヘキシル基、オクチル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、フェニル基、ベンジル基などを挙げることができる。
【００４８】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ７１がメチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやイソブチル基であるもの、Ｒ７１がエチル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１〜Ｒ７４がブチル基であるものやオクチル基であるもの、Ｒ７１がテトラデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるものやヘキシル基であるもの、Ｒ７１がヘキサデシル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がブチル基であるもの、Ｒ７１がベンジル基であり、Ｒ７２〜Ｒ７４がフェニル基であるものなどを挙げることができる。
【００４９】
また、化学式８で表されるグアニジウム誘導体カチオン（Ｇｕａｎｉｄｉｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００５０】
【化８】
2007073475.tif 000009
【００５１】
（式中のＲ８１〜Ｒ８６は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００５２】
そして、Ｒ８１〜Ｒ８６としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基、プロピル基、イソプロピル基などを挙げることができる。
【００５３】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ｒ８１〜Ｒ８６の全てが水素であるものやメチル基であるもの、Ｒ８１がエチル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がイソプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８５がメチル基、Ｒ８６が水素であるもの、Ｒ８１がプロピル基、Ｒ８２〜Ｒ８６がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００５４】
更に、化学式９で表されるイソウロニウム誘導体カチオン（Ｉｓｏｕｒｏｎｉｕｍ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ  Ｃａｔｉｏｎ）；
【００５５】
【化９】
2007073475.tif 000010
【００５６】
（式中のＲ９１〜Ｒ９５は同一でも異なっていてもよく、水素又は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示し、Ａ９は酸素原子又は硫黄原子を示す。）を挙げることができる。
【００５７】
そして、Ｒ９１〜Ｒ９５としては、上述したＲ１１と同様のものを任意に組合わせたものを挙げることができ、その他に水素、エチル基などを挙げることができる。
【００５８】
また、これらの基の代表的な組合せの具体例としては、Ａ９が酸素原子（Ｏ）であって、Ｒ９１〜Ｒ９５の全てがメチル基であるものやＲ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるもの、Ａ９が硫黄原子（Ｓ）であって、Ｒ９１がエチル基、Ｒ９２〜Ｒ９５がメチル基であるものなどを挙げることができる。
【００５９】
一方、上記分子性アニオンとしては、例えば硫酸アニオン［ＳＯ４２−］、硫酸一水素アニオン［ＨＳＯ４−］又は化学式１０で表される硫酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆａｔｅｓ  ａｎｉｏｎ）；
【００６０】
【化１０】
2007073475.tif 000011
【００６１】
（式中のＲ１０１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基を示す。）を挙げることができる。
【００６２】
そして、Ｒ１０１としては、上述したＲ１１と同様のものを挙げることができ、その他にエチル基、ヘキシル基、オクチル基などを挙げることができる。
【００６３】
また、代表的な具体例としては、Ｒ１０１がメチル基やエチル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基であるものなどを挙げることができる。
【００６４】
また、化学式１１で表されるスルホン酸エステルアニオン（Ｓｕｌｆｏｎａｔｅｓ  ａｎｉｏｎ）；
【００６５】
【化１１】
2007073475.tif 000012
【００６６】
（式中のＲ１１１は１価の有機基、好ましくは１価の炭化水素基、更に好ましくは炭素数１〜２０のアルキル基又はアリールアルキル基、更にはそのフッ素置換体を示す。）を挙げることができる。
【００６７】
そして、代表的な具体例としては、Ｒ１１１がフッ素置換されたメチル基（トリフルオロメタンサルフォネートアニオンに相当）であるもの、更にはｐ−トリル基（ｐ−トルエンスルホン酸アニオンに相当）であるものを挙げることができる。
【００６８】
更に、化学式１２〜１４で表されるアミドアニオン（Ａｍｉｄｅｓ  Ａｎｉｏｎ）又はイミドアニオン（Ｉｍｉｄｅｓ  Ａｎｉｏｎ）；
【００６９】
【化１２】
2007073475.tif 000013
【００７０】
【化１３】
2007073475.tif 000014
【００７１】
【化１４】
2007073475.tif 000015
【００７２】
を挙げることができる。
なお、アミドアニオンやイミドアニオンについては必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００７３】
また、化学式１５又は１６で表されるメタンアニオン（Ｍｅｔｈａｎｅｓ  Ａｎｉｏｎ）；
【００７４】
【化１５】
2007073475.tif 000016
【００７５】
【化１６】
2007073475.tif 000017
【００７６】
を挙げることができる。
なお、メタンアニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００７７】
また、化学式１７〜２３で表されるホウ素含有化合物アニオン；
【００７８】
【化１７】
2007073475.tif 000018
【００７９】
【化１８】
2007073475.tif 000019
【００８０】
【化１９】
2007073475.tif 000020
【００８１】
【化２０】
2007073475.tif 000021
【００８２】
【化２１】
2007073475.tif 000022
【００８３】
【化２２】
2007073475.tif 000023
【００８４】
【化２３】
2007073475.tif 000024
【００８５】
を挙げることができる。
なお、ホウ素含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００８６】
更に、化学式２４〜３２で表されるリン含有化合物アニオン；
【００８７】
【化２４】
2007073475.tif 000025
【００８８】
【化２５】
2007073475.tif 000026
【００８９】
【化２６】
2007073475.tif 000027
【００９０】
【化２７】
2007073475.tif 000028
【００９１】
【化２８】
2007073475.tif 000029
【００９２】
【化２９】
2007073475.tif 000030
【００９３】
【化３０】
2007073475.tif 000031
【００９４】
【化３１】
2007073475.tif 000032
【００９５】
【化３２】
2007073475.tif 000033
【００９６】
を挙げることができる。
なお、リン含有化合物アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【００９７】
更に、化学式３３又は３４で表されるカルボン酸アニオン；
【００９８】
【化３３】
2007073475.tif 000034
【００９９】
【化３４】
2007073475.tif 000035
【０１００】
を挙げることができる。
なお、カルボン酸アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１０１】
更に、化学式３５又は３６で表される金属元素含有アニオン；
【０１０２】
【化３５】
2007073475.tif 000036
【０１０３】
【化３６】
2007073475.tif 000037
【０１０４】
を挙げることができる。
なお、金属元素含有アニオンについても必ずしもこれらに限定されるものではない。
【０１０５】
更に、本発明においては、イミダゾリウム誘導体カチオン、ピリジニウム誘導体カチオン、ピロリジニウム誘導体カチオン又はアンモニウム誘導体カチオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性カチオンの混合物と、四フッ化ホウ素アニオン、トリフルオロメタンサルフォネートアニオン、フッ化水素アニオン［（ＨＦｎ）Ｆ−（ｎは実数で１〜３が望ましい。）］、硫酸一水素アニオン又はリン酸二水素アニオン、及びこれらの任意の組合わせに係る分子性アニオンの混合物とから成ることが望ましい。
これらの分子性カチオンと分子性アニオンを組合わせたものは常温溶融塩であって、良好な親水性を示すからである。
【０１０６】
上述のような分子性イオン成分を含む電解質液を採用すれば、カチオン成分とアニオン成分の組合せの自由度が大きい外、材料選択の幅も拡大できる。
また、本発明のコンポジット型イオン伝導体を適用する燃料電池に応じて、当該イオン伝導体を好適化することが容易となり、燃料電池への実際の適用性を向上できる。
但し、上述の如く、本発明においては、カチオン成分及びアニオン成分の少なくとも一方が分子性であれば、このような利点を享有できる。
【０１０７】
なお、電解質液を、上述の如き分子性カチオンと分子性アニオンの常温溶融塩で構成すれば、電解質を溶解する処理を省略でき、取り扱い性や製造工程も簡略化できるので便利である。
【０１０８】
かかる常温溶融塩は、代表的にはブレンステッド酸−塩基型のもので、一般にイオン液体と称されており、常温溶融塩であるがゆえに蒸気圧が極めて低く、蒸発し難い。また、難燃性で、熱分解温度が通例２５０℃以上と高く、凝固点も通例は−２０℃以下であり、安定性に優れた材料である。
よって、このようなイオン液体は、広範な温度範囲で液状をなし、使用可能な温度範囲が広く、種々の燃料電池に適用することができる。
【０１０９】
また、本発明においては、上記分子性カチオンが、その骨格内にヘテロ原子を有していることが好ましい。
ヘテロ原子を有する分子性カチオンは、親水性を示すので、吸湿材のみならず、電解質であるイオン液体に水を保持させることが可能になる。よって、当該イオン液体のプロトン伝導性を向上することができる。
【０１１０】
なお、「ヘテロ原子」とは、炭素原子（Ｃ）及び水素原子（Ｈ）以外の原子を意味し、複素環（ヘテロ環）を構成する炭素原子以外の原子に限定されないものとする。代表的には、酸素原子（Ｏ）、窒素原子（Ｎ）、硫黄原子（Ｓ）、リン原子（Ｐ）、フッ素原子（Ｆ）、塩素原子（Ｃｌ）、臭素原子（Ｂｒ）、ヨウ素原子（Ｉ）、ホウ素原子（Ｂ）、コバルト原子（Ｃｏ）及びアンチモン原子（Ｓｂ）などを挙げることができる。
【０１１１】
また、本発明においては、親水性の常温溶融塩を好適に用いることができる。
このような親水性の常温溶融塩を使用すれば、上記同様に、イオン液体内に水分を保持させることが可能なるので、当該イオン液体のプロトン伝導性を向上でき、ひいては本発明のイオン伝導体を用いた燃料電池などの発電特性を向上できる。
【０１１２】
次に、ブレンステッド−ローリー酸基を有する固体酸としては、特に限定されるものではなく、種々の有機固体酸、特にいわゆる酸性ポリマー、及び無機固体酸を挙げることができる。
【０１１３】
酸性ポリマーの例としては、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、炭化フッ素系ビニルモノマーと炭化水素系ビニルモノマーとの共重合によって得られた主鎖と、スルホン酸基を有する炭化水素系側鎖から成るスルホン酸型ポリエチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、パーフルオロスルホン酸（例えば、登録商標「ナフィンオン」）などが挙げられる。
【０１１４】
一方、無機固体酸としては、ＳｉＯ２−ＺｒＯ２系複合酸化物、ヘテロポリ酸（Ｈ４ＳｉＷ１２Ｏ４０・２３Ｈ２Ｏ（ＴＳＡ・２３Ｈ２Ｏ）、Ｈ３ＰＷ１２Ｏ４０・２４Ｈ２Ｏ（ＴＰＡ・２４Ｈ２Ｏ）など）、ゼオライト（ＺＳＭ−５型、β型、Ｙ型）、アルカリ金属と亜硫酸の複合酸化物、アルカリ金属とリン酸の複合酸化物、これら複合酸化物から成る固体酸（ＣｓＨＳＯ４、ＣｓＨＰＯ４、ＲｂＨＳＯ４、Ｃｓ２（ＨＳＯ４）（ＨＰＯ４）、及びＢａＣｅ０．９−ｘＹ０．１ＭｘＯ３−δ（Ｍ＝Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ；ｘ＝０．０５〜０．１）、ＢａＣｅ０．９−ｘＹ０．１ＲｕｘＯ３−δ（ｘ＝０．０５〜０．１５）、ＳｒＺｒ０．９−ｘＹ０．１ＲｕｘＯ３−δ（ｘ＝０．０５〜０．１２５）で表される複合酸化物などを例示できる。
【０１１５】
また、本発明においては、これらの固体酸を上記酸性ポリマー及び／又はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの耐熱性ポリマーと複合化したものを用いることも可能である。
【０１１６】
そして、本発明のコンポジット型イオン伝導体では、カチオン成分が、固体酸とアニオン成分との当量の和に対して過剰当量含まれる。
カチオン成分が固体酸及びアニオン成分に対して過剰当量で含まれることによって、このコンポジット型イオン伝導体におけるプロトン伝導性の低下が抑制される。
【０１１７】
上述のように過剰当量導入されるカチオン成分は、例えば、アニオン：カチオンが１：１のイオン液体に、以下の化学式３７で表されるイミダゾール類（イミダゾール、１−メチルイミダゾール、１−エチルイミダゾール、１−（ｎ−プロピル）イミダゾール、１−（ｎ−ブチル）イミダゾール及び１，２−ジメチルイミダゾールなど）、又は以下の化学式３８で表されるイミダゾリウム水酸化物（１−メチルイミダゾリウム水酸化物、１−エチルイミダゾリウム水酸化物、１−（ｎ−プロピル）イミダゾリウム水酸化物、１−（ｎ−ブチル）イミダゾリウム水酸化物及び１，２−ジメチルイミダゾリウム水酸化物など）を混合し、固体酸と中和させることにより生成することができる。
【０１１８】
【化３７】
2007073475.tif 000038
【０１１９】
【化３８】
2007073475.tif 000039
【０１２０】
このような固体酸とアニオン成分との和に対するカチオン成分の過剰当量は、モル比に換算して、次式
カチオン成分（モル）／（カチオン成分（モル）＋アニオン成分（モル）＋固体酸（モル））＝０．５〜０．９
で表される関係を満足することが好ましい。
【０１２１】
カチオン成分、固体酸及びアニオン成分がこのような関係を満足することにより、プロトン伝導性電解質液に含まれるカチオン成分の分離や分解が抑制され、更には、プロトン伝導性電解質液での迅速なイオン伝導と、固体酸表面でのプロトン伝導とを両立させることができる。
また、カチオン成分とアニオン成分とのバランスが崩れており、通常では組成安定性に劣る領域にあるプロトン伝導性電解質液であっても、その安定性を確保することができる。
【０１２２】
なお、カチオン成分／（カチオン成分＋アニオン成分＋固体酸）（モル比）が０．５未満では、迅速なプロトン伝導度を担うカチオン成分の減少からプロトン伝導度が低下し、０．９を超えると、系の安定性が不十分になり易く、導入したイオン液体やカチオン成分の揮発などを招くことがある。
また、かかるモル比としては、現時点では０．８が最も良好なイオン伝導度をもたらす。
【０１２３】
なお、固体酸の酸点量は、当該固体酸が酸性ポリマーなどの有機固体酸の場合には量論比（ＥＷなど）によって求めることができ、無機酸化物などの無機固体酸の場合にはアンモニアＴＰＤ（アンモニア昇温脱離法）から求めることができる。
【０１２４】
本発明では、このようにして求めた固体酸の酸点量と、プロトン伝導性電解質液カチオン成分量及びアニオン成分量を勘案して、これらが上記の関係を満足するように調整すればよい。
【０１２５】
本発明のコンポジット型イオン伝導体において、上述した、プロトン伝導性電解質液（イオン液体など）と固体酸との複合化は、固体酸が多孔質の場合には、プロトン伝導性電解質液をかかる多孔質固体酸に含浸させることによって行うことができる。
多孔質固体酸が酸性ポリマーの場合、上記の複合化によってイオン伝導体膜を得ることができる。
【０１２６】
また、固体酸が粒状の場合、プロトン伝導性電解質液との複合化は、かかる粒状固体酸をプロトン伝導性電解質に混合し、例えばスラリー化することによって行うことができる。
両者を混合すると、固体酸表面の酸点を基点にして、プロトン伝導性電解質液のカチオン成分とアニオン成分が電気二重層を形成し、分離が抑制されるのでスラリー状体になることが多い。
【０１２７】
なお、本発明においては、かかるスラリー状イオン伝導体を、比較的大きな細孔径を有する多孔質体に含浸させることも可能であり、これにより、所望形状のイオン伝導体（構造体）を作製することができる。
【０１２８】
次に、本発明の燃料電池について説明する。
本発明の燃料電池は、上述した本発明のコンポジット型イオン伝導体を電解質として用いた燃料電池であり、具体的には、このコンポジット型イオン伝導体のイオン伝導体膜やイオン伝導体構造体を電解質とする固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）である。
【０１２９】
本発明の燃料電池は、上記コンポジット型イオン伝導体の優れたイオン伝導性及び安定性に起因して、優れた発電特性及び耐久性を有する。
また、本発明の燃料電池をスタッキングすることなどにより、燃料電池（発電）システムを構築することも可能であるが、このシステムが高い発電力及び優れた耐久性を発揮することはいうまでもない。
【実施例】
【０１３０】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【０１３１】
（実施例１）
塩酸を触媒としてアルコキシドからゾル−ゲル法によって、固体酸の一例であるＳｉＯ２−ＺｒＯ２を作製した（アンモニア昇温脱離法で測定した酸量点は０．００００５ｍｏｌ／ｇ）。
このＳｉＯ２−ＺｒＯ２に、イミダゾールをカチオン成分、ＨＴＦＳＩ（ビス（トリフルオロメチルスルフォニル）アミド）をアニオン成分とし、（カチオン成分／アニオン成分）のモル比が０．９５のイオン液体を含浸させて、（カチオン成分／アニオン成分＋固体酸）のモル比が０．９である固体酸複合体を得た。
【０１３２】
得られた固体酸複合体を１５０℃で１時間熱処理して空気中からの吸着水分などを除去し、本例のコンポジット型イオン伝導体を作製した。
このイオン伝導体のイオン伝導度を交流インピーダンス法で測定し、得られた結果を図１に示した。
【０１３３】
（比較例１）
実施例１で用いたイオン液体（カチオン成分／アニオン成分＝０．９５）を、上記同様に交流インピーダンス法で測定し、得られた結果を図１に示した。
【０１３４】
図１より、酸及び塩基の当量が酸過剰側にあり、カチオン成分／アニオン成分が０．９５（モル比）である比較例１のイオン液体のイオン伝導度は、実施例１のコンポジット型イオン伝導体と比較して４４％低いことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】イオン伝導度の測定結果を示すグラフである。
【図１】
2007073475.tif 000040